阅读说明：本技术 一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法 (Large-scale aspheric surface morphology detection method based on complex beam angle sensor ) 是由 陈梅云 黄建平 余浩燃 陈锦标 夏益民 周郭许 谢胜利 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法,包括如下步骤：步骤S1：将大型非球面工件放置在用于测量的倾斜台上,并从硬件和软件两方面消除测量误差；步骤S2：角度差的测量：使用傅里叶变换算法对大型非球面进行一次圆周扫描；步骤S3：通过角度差Δc计算轮廓P；步骤S4：大型非球面的轮廓测量。该检测方法属于非接触式的形貌测量技术,可以解决接触性检测因物理接触而造成的被测表面损伤；该检测方法有周向扫描功能,可以解决相移干涉测量法适用的测量尺度范围较小的缺点,该装置通过对不同半径的圆形扫描进行重复实验,以获得表面的整体形状,并重建大型非球面的表面形貌,可以解决莫尔测偏法测量精度较低的不足。(The invention discloses a large-scale aspheric surface morphology detection method based on a complex beam angle sensor, which comprises the following steps: step S1: placing a large-scale aspheric workpiece on a tilting table for measurement, and eliminating measurement errors from two aspects of hardware and software; step S2: measurement of the angular difference: performing one-time circular scanning on the large aspheric surface by using a Fourier transform algorithm; step S3: calculating a profile P through the angle difference deltac; step S4: and (4) profile measurement of large aspheric surfaces. The detection method belongs to a non-contact type morphology measurement technology, and can solve the problem of damage to the detected surface caused by physical contact in contact detection; the detection method has a circumferential scanning function, can solve the defect that the measurement scale range applicable to the phase-shift interferometry is small, obtains the overall shape of the surface by performing repeated experiments on circular scanning with different radiuses, reconstructs the surface appearance of a large aspheric surface, and can solve the defect that the Mohr polarization measurement method is low in measurement precision.)

一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法。

背景技术

目前，在工业生产，航空航天，及半导体等行业中，形貌测量技术均有着重要的发展与应用。在高精度光学元件检测领域，尤其在粗磨、精磨成形阶段，形貌测量发挥着重要的作用。大尺寸高精度光学元器件，特别是不同曲率的棱镜元件，在航天航空，半导体等行业得到广泛而深远的应用。由于大型非球面棱镜工作环境的特殊性，对光学元器件的面型精度以及表面粗糙度等的要求都极高。在加工制造过程中，为了满足各项技术参数指标,对于不同曲率的棱镜的表面形貌必须经过多次的检测，再将检测得到的形貌信息反馈到加工控制系统中，用于指导和修正下一个加工工序。为了得到更准确的测量信息用以便于指导加工，对形貌测量机的精度和形貌多样性都提出了更高的要求。

以下将会列举三种非球面形貌检测的方法及其优势与不足。

接触式形貌检测法，即通过机械触针与被测大型非球面工件进行物理接触将表面形貌信息转换成光电信号。但是其效率低下，难以完整地记录被测物体的微观形貌。此外，探针与被测大型非球面工件进行物理接触，无论对探针还是被测表面都可能会造成损害，从而造成测量误差甚至对大型非球面工件造成不可修复的损伤。

相移干涉测量法不仅可以一次处理整个条纹图像，而且在速度与形貌精度上有着许多优势。但其自身具有极高的敏感性，且适用的测量尺度范围较小。为了解决抗扰动性能差的问题，一种新的非球面三维形貌检测法--莫尔测偏法应运而生。

相比于相移干涉测量装置而言，莫尔测偏法采用的装置在有着明显的价格优势的同时，并且提高了整个测量装置的抗干扰性，除此之外，莫尔测偏法在空间尺度测量上具有可调性，测量范围也比相移干涉法大得多。但是，受基本原理的限制，莫尔测偏法的测量精度较低，不能很好地满足某些极其精密条件下的测量。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法，该方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：将大型非球面工件放置在用于测量的倾斜台上，并从硬件和软件两方面消除测量误差。

具体的，所述步骤S1中的硬件方面是指通过使用两个XY平台和倾斜台来微调及对齐复光束角度传感器的机械和光学系统，从而实现消除误差。

具体的，所述步骤S1中的软件方面是指采用测量转移的方式消除误差，所述测量转移是指采用傅里叶变换公式处理。

步骤S2：角度差的测量：使用傅里叶变换算法对大型非球面进行一次圆周扫描。

具体的，所述步骤S2具体包括：将复光束角度传感器以大型非球面工件表面O点为中心并以r为半径做圆周旋转，再以增量的方式旋转大型非球面工件，并沿圆周测量大型非球面工件的角度差。

步骤S3：通过角度差Δc计算轮廓P。

具体的，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：使用傅里叶级数表示角位置t处的大型非球面工件的轮廓P，从而得到：

其中a_i和b_i是傅里叶级数系数，n是傅里叶级数的最大迭代次数，m是采样点数；

步骤S32：使用传感器测量角度差Δc，并表示为轮廓数据的二阶微分P，从而得到：

步骤S33：进行傅立叶变换，可以将角度差转换为系数d_i和e_i，得出：

步骤S34：而傅里叶级数(a_i和b_i)与系数(d_i和e_i)之间的关系可以表示为：

因此，大型非球面工件的轮廓P可以使用反向傅立叶变换表示为傅里叶级数；当使用不同的半径用于重建曲面的整体形状时，轮廓数据P与测量半径r和点之间的距离x₀相关。

步骤S4：大型非球面的轮廓测量。

具体的，所述步骤S4具体包括：设A和B是大型非球面工件上旋转角度t的代表性点，c_a和c_b是相应的角度，Δc是点A和B之间的角度差；因此，在X轴中，考虑到中心s₀(s₀≠0)之间的距离，给出相应的角度c_ij：

i，j分别是微透镜阵列在x轴和y轴上的位置，此处微透镜阵列的间隔为0.5毫米；根据式(5)可以计算大型非球面c_ij的角度，该角度将用于对大型非球面测量的模拟。

本发明还公开了一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测装置，该装置主要包括承重台、支架、第一XY平台、第二XY平台、旋转台、倾斜台、以及复光束角度传感器。

具体的，所述承重台水平固定设置。所述支架的两端卡设在承重台的两侧，并与承重台固定连接。所述第一XY平台安装在承重台上，与承重台固定连接。所述旋转台安装在第一XY平台上，由第一XY平台调整其位置。所述第二XY平台安装在旋转台上，由旋转台驱动其旋转。所述倾斜台设置在第二XY平台上，与第二XY平台的输出端固定连接，由第二XY平台驱动调整其位置。工件设置在倾斜台上。所述复光束角度传感器安装在支架上，位于倾斜台上方，其检测端朝向工件上表面。

其中，所述复光束角度传感器包括半导体激光器、用于激光聚焦的凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、微透镜阵列、以及CMOS相机。所述第一滤光板上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板上设有用于滤光的第二滤光孔。

具体的，所述半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板和分束器自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器射出并依次经过凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板后从分束器的入射端射入，激光在分束器发生反射并从反射端射出后投射到圆柱体工件上。所述微透镜阵列和CMOS相机依次设置在分束器后方，且所述微透镜阵列与分束器的透射端相对并将从圆柱体工件反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机上。

所述复光束角度传感器的工作过程和原理是：半导体激光器产生的激光束穿过第一滤光板中的针孔，由准直透镜校直之后，在分束器的作用下光束投射到工件表面；来自工件表面的反射光束完全通过分束器到达微透镜阵列；入射光被微透镜阵列分割成许多小样本，然后聚焦到探测器阵列上；因此，在CMOS相机上会产生许多分离的光焦点，这些焦点的位置与工件表面的轮廓直接相关；这时采用算法处理从CMOS相机检测到的图像，并确定焦点的位置，通过与原始位置的比较来计算工件表面具***置的角度差，并从角度差重建表面轮廓。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法与接触式检测方法相比，本技术采用非接触式的检测手段，杜绝了因为与被测大型非球面工件物理接触而造成的被测大型非球面工件损伤。

(2)本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法与相移干涉法相比，本技术方案在确保测量精度的基础上，运用圆周扫描的方式增加了曲率测量范围并消除了零点误差。

(3)本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法与莫尔测偏法相比，本技术方案在确保较大测量范围的基础上，通过不同半径的圆形扫描进行重复实验，以获得表面的整体形状，并重建大型非球面表面形貌，增加了测量的精度。

(4)本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法及检测装置的结构简单、紧凑，复光束角度传感器的光路简单，抗干扰性较强，使用结果稳定，检测精度高，测量范围大，十分适用于大型非球面的检测。

(5)本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法及检测装置能够满足测量精度和抗干扰性能的同时，而又拥有较大测量范围的非球面形貌检测技术对于提高非球面透镜的精度和适应性，降低生产成本，有着十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的复光束角度传感器的结构示意图。

图3是本发明通过逐步旋转大型非球面工件来获取特定半径圆周的点的示意图。

图4是本发明所提供的基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法的流程图。

图5是本发明所提供的大型非球面轮廓测量示意图。

图6是本发明所提供的大型非球面角度差测量示意图。

图7是本发明所提供的来自CMOS的一个输出信号的模拟结果示意图。

图8是本发明所提供的25个不同半径点的角度数据示意图。

图9是本发明所提供的不同半径的角差数据示意图。

上述附图中的标号说明：

1-支架，2-第一XY平台，3-旋转台，4-倾斜台，5-复光束角度传感器，6-工件，7-半导体激光器，8-第一滤光板，9-准直透镜，10-第二滤光板，11-分束器，12-微透镜阵列，13-CMOS相机，14-凸透镜，16-承重台，17-第二XY平台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图3至图9所示，本实施例公开了一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法，该方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：将大型非球面工件放置在用于测量的倾斜台上，并从硬件和软件两方面消除测量误差。

具体的，所述步骤S1中的硬件方面是指通过使用两个XY平台和倾斜台来微调及对齐复光束角度传感器的机械和光学系统，从而实现消除误差。

具体的，所述步骤S1中的软件方面是指采用测量转移的方式消除误差，所述测量转移是指采用傅里叶变换公式处理。

步骤S2：角度差的测量：使用傅里叶变换算法对大型非球面进行一次圆周扫描。

具体的，所述步骤S2具体包括：将复光束角度传感器以大型非球面工件表面O点为中心并以r为半径做圆周旋转，再以增量的方式旋转大型非球面工件，并沿圆周测量大型非球面工件的角度差。

步骤S3：通过角度差Δc计算轮廓P。

具体的，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：使用傅里叶级数表示角位置t处的大型非球面工件的轮廓P，从而得到：

其中a_i和b_i是傅里叶级数系数，n是傅里叶级数的最大迭代次数，m是采样点数；

步骤S32：使用传感器测量角度差Δc，并表示为轮廓数据的二阶微分P，从而得到：

步骤S33：进行傅立叶变换，可以将角度差转换为系数d_i和e_i，得出：

步骤S34：而傅里叶级数(a_i和b_i)与系数(d_i和e_i)之间的关系可以表示为：

因此，大型非球面工件的轮廓P可以使用反向傅立叶变换表示为傅里叶级数；当使用不同的半径用于重建曲面的整体形状时，轮廓数据P与测量半径r和点之间的距离x₀相关。

步骤S4：大型非球面的轮廓测量。

具体的，所述步骤S4具体包括：设A和B是大型非球面工件上旋转角度t的代表性点，c_a和c_b是相应的角度，Δc是点A和B之间的角度差；因此，在X轴中，考虑到中心s₀(s₀≠0)之间的距离，给出相应的角度c_ij：

i，j分别是微透镜阵列在x轴和y轴上的位置，此处微透镜阵列的间隔为0.5毫米；根据式(5)可以计算大型非球面c_ij的角度，该角度将用于对大型非球面测量的模拟。

实施例2：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，主要包括承重台16、支架1、第一XY平台2、第二XY平台17、旋转台3、倾斜台4、以及复光束角度传感器5。

具体的，所述承重台16水平固定设置。所述支架1的两端卡设在承重台16的两侧，并与承重台16固定连接。所述第一XY平台2安装在承重台16上，与承重台16固定连接。所述旋转台3安装在第一XY平台2上，由第一XY平台2调整其位置。所述第二XY平台17安装在旋转台3上，由旋转台3驱动其旋转。所述倾斜台4设置在第二XY平台17上，与第二XY平台17的输出端固定连接，由第二XY平台17驱动调整其位置。工件6设置在倾斜台4上。所述复光束角度传感器5安装在支架1上，位于倾斜台4上方，其检测端朝向工件6上表面。

进一步的，所述复光束角度传感器5包括半导体激光器7、将激光聚焦到第一滤光板8上的凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10、分束器11、微透镜阵列12、以及CMOS相机13。所述第一滤光板8上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板10上设有用于滤光的第二滤光孔。

具体的，所述半导体激光器7、凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10和分束器11自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器7射出并依次经过凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10后从分束器11的入射端射入，激光在分束器11发生反射并从反射端射出。反射激光直接投射到圆柱体工件6上。所述微透镜阵列12和CMOS相机13依次设置在分束器11后方，且所述微透镜阵列12与分束器11的透射端相对并将从圆柱体工件6反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机13上。

作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径设为400微米。

作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径设为4毫米。

实施例3：

本实施例公开了一种使用复光束角度传感器模拟大型非球面的测量实例，具体如下：

为了评价复光束角度传感器测量大型非球面表面轮廓的方法，具体地，本示例采用的被测大型非球面工件是平凸棱镜，对实验进行了数值模拟，表1列出了模拟条件。假设平凸棱镜曲率半径R为519mm，测量半径R在2mm到4mm之间，CMOS跟踪5×5焦点的位置。微透镜的间距为0.5毫米。

表1模拟条件

如图7所示，显示了与实验前条件相似的点位轨迹，在图8中，图中水平轴是旋转角度，垂直轴表示Y坐标中的角度数据和角度差数据。模拟结果如图9所示，表明样品旋转角度超过360°的角度差范围为40像素。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。